Сушка силовых трансформаторов: необходимость, достоинства, результат

Автор: Евгений Живоглядов. Дата публикации: 19 февраля 2014. Категория: Статьи.

Сушка изоляции трансформаторов может быть выполнена одним из следующих способов: — в стационарном сушильном шкафу под вакуумом 700 – 750 мм ртутного столба; — в своем баке потерями в стали бака с вакуумом или без вакуума; — в своем баке током нулевой последовательности; — инфракрасным излучением вне бака.

Сушка активной части трансформатора в камере без вакуума

При этом способе сушки активную часть трансформатора помещают в хорошо утепленную камеру (рисунок 1), которая выполняется из деревянных рам и щитов, обшитых фанерными листами с воздушной прослойкой. Изнутри камера обшивается листовым асбестом и поверх него – листами кровельной стали. Стыки между щитами утепляются асбестом. Можно применить и другую конструкцию камеры. Расстояние между стенками камеры и активной частью трансформатора должно быть не менее 180 – 200 мм. Вверху камеры для удаления паров, выделяющихся при сушке, выполняется вытяжное отверстие. Нагрев активной части чаще всего производится при помощи воздуходувок. Можно применить также электропечи или змеевики с паром.

Рисунок 1. Сушка трансформатора в камере при помощи воздуходувки 1 – вентилятор; 2 – нагреватель; 3 – искроуловитель; 4 – утепленная камера; 5 – регулировочный шибер; 6 – термометры; 7 – термопары в обмотке

Для ускорения сушки желательно применить две воздуходувки, подавая от них горячий воздух в два отверстия, расположенные в нижней части камеры, по ее диагонали. При одной воздуходувке для равномерности сушки воздух от нее следует также подавать в два отверстия по диагонали камеры. На всасывающем патрубке воздуходувки устанавливается матерчатый фильтр, а на напорном – искроуловитель (металлическая сетка). Струя горячего воздуха не должна направляться на обмотку или ярмовую изоляцию.

Количество воздуха Qв, м3, подаваемого в камеру для сушки за 1 минуту, должно быть в 1,5 раза больше объема камеры Qкам.

Мощность электропечей воздуходувки, кВт, должна быть равной:

P = 0,07 × Qв × Gр × (t2 – t1) ,

где Gр – удельная теплоемкость воздуха, принимаемая равной 0,273 кал/кг×град; t1 – температура окружающего воздуха, °С; t2 – температура входящего в камеру воздуха, °С.

Пример. Объем камеры 2 × 3 × 2 м = 12 м3, t1 = 20 °С, t2 = 100 °С. Определить мощность воздуходувки.

Объем воздуха подаваемого в камеру:

Qв = 1,5 × Qкам = 1,5 × 12 = 18 м3.

Мощность воздуходувки

P = 0,07 × 18 × 0,273 × (100 – 20) = 18,7 кВт.

Температура входящего воздуха и температура в камере не должна быть выше 105 °С. Температура выходящего воздуха не должна быть ниже 80 – 90 °С. При более низкой температуре выходящего воздуха следует более тщательно утеплить камеру.

При повышении температуры изоляции активной части трансформатора выше 105 °С следует снизить температуру входящего воздуха, увеличивая открытие шибера воздуходувки, а если он открыт полностью, периодически отключая ее.

Для трансформаторов напряжением 35 кВ и выше после нагрева активной части до установившейся температуры на обмотке (105 °С) целесообразно для ускорения сушки быстро снизить температуру внешних слоев изоляции отключением электропечей воздуходувки и подачей холодного воздуха (применить так называемую термодиффузию). При быстром охлаждении камеры внутренние слои изоляции не успевают сильно остыть и их температура будет выше температуры внешних слоев. Таким образом, понижение температуры по слоям будет совпадать с направлением удаления влаги, что значительно ускорит процесс сушки. Температуру внутренних слоев можно приблизительно считать равной температуре магнитопровода. Температурный перепад между наружными и внутренними слоями изоляции должен быть не менее 15 – 20 °С и продолжаться в течение 15 – 25 часов. Рекомендуется снижать температуру на наружных слоях изоляции до 50 – 40 °С и на магнитопроводе до 70 – 65 °С. После окончания цикла термодиффузии активная часть прогревается до прежней температуры и производится сравнение значений сопротивления изоляции до и после термодиффузии. В зависимости от полученных результатов принимается решение о применении повторного цикла термодиффузии или об окончании сушки.

После сушки производится ревизия активной части (прессовка обмоток, затяжка креплений и прочее), которая затем опускается в бак и заливается маслом.

Принцип работы установки “Иней”

Сушка трансформаторов

установкой типа “Иней” проводится следующим образом. К баку присоединяется вакуумный провод диаметром 150 мм. Сначала вакуумирование осуществляется форвакуумным насосом, который разжижает воздух в баке до 400 Па. Далее для создания более глубокого вакуума используется бустерный насос. Еще до начала вакуумирования установка охлаждается до – 70 ⁰С. Требуется примерно полчаса, чтобы степень охлаждения низкотемпературной ловушки достигла этого показателя при температуре внешней среды +20 ⁰С.

После того как трансформатор отвакуумирован создается разница в давлении внутри бака оборудования и установки. Поскольку в холодильной ловушке температура насыщенных паров в десятки раз ниже, то образуется перепад давления именно из-за температуры. Как результат, влага из изоляции перемещается в холодильный агрегат, где вымораживается на поверхности испарителя.

Длительность процесса зависит от степени увлажнения активной части трансформатора и может занимать до 20 дней.

Отметим, что на холодильной ловушке установлен смотровой люк со стеклом, с помощью которого можно следить за количеством выпариваний внутри камеры. Если в течении 12 часов не испарителе не появляется вымороженная влага, то процесс сушки трансформатора

можно заканчивать.

Сушка трансформатора потерями в стали бака

При этом способе на бак трансформатора наматывается намагничивающая обмотка, создающая переменный магнитный поток. От действия магнитного потока в стенках бака появляются вихревые токи, которые нагревают бак и находящуюся в нем активную часть трансформатора.

Для уменьшения потерь тепла в окружающую среду и ускорения сушки крышка и стенки бака утепляются огнестойкими материалами: листовым асбестом, асбестовым полотном, матами из стекловолокна и тому подобного. Под дно бака устанавливаются электропечи мощностью, выбираемой из расчета 1,5 – 3 кВт/м2. Утепляется также пространство между дном бака и полом помещения. Трансформаторы мощностью до 1000 кВ×А могут сушиться и без утепления баков.

В целях снижения пожароопасности из бака удаляются остатки масла.

Все отверстия в крышке и стенке бака, не используемые для вентиляции, в том числе и отверстия вводов, снимаемых на время сушки, закрываются заглушками. Для каждой обмотки должно иметься по одному измерительному вводу. Для этой цели могут быть использованы как рабочие цельнофарфоровые вводы, так и любые имеющиеся на месте вводы, в том числе и на напряжение до 1000 В.

У трансформаторов, имеющих съемные радиаторы, эти радиаторы должны быть сняты. На трубчатые баки намагничивающая обмотка может укладываться как сверху труб, так и под трубами. В последнем случае трубы должны быть тщательно утеплены, так как иначе в холодных трубах будет происходить конденсация влаги, которая, стекая в бак, значительно замедлит сушку.

Если бак не утеплен, то во избежание порчи изоляции проводов намагничивающая обмотка выполняется голым проводом, закрепляемым на асбестоцементных стойках или деревянных рейках. Между деревянными рейками и баком прокладывается тепловая изоляция. Витки голого провода располагаются на таком расстоянии друг от друга, чтобы при удлинении и провисании провода от нагрева исключить замыкание между витками. При наличии утепления бака намагничивающая обмотка, выполняемая изолированным проводом, может накладываться непосредственно на тепловую изоляцию. Витки однофазной обмотки укладываются по всей высоте бака. Для более равномерного нагрева бака витки в нижней и верхней частях бака должны располагаться более часто чем в средней части бака. Витки всех трех фаз при трехфазной обмотке намагничивания располагаются по всей высоте бака в одном направлении на одинаковом расстоянии друг от друга. Для большего эффекта средняя обмотка подключается встречно по отношению к верхней и нижней (рисунок 2). Активная часть с установленными на ней термопарами опускается в бак, который закрывается крышкой. Провода от термопар пропускаются в разъем между баком и крышкой или через отверстие в крышке между двумя уложенными друг на друга резиновыми прокладками. Каждая из обмоток присоединяется к своему измерительному выводу.

Если сушка производится без вакуума с естественной вентиляцией, то на крышке трансформатора над одним из отверстий устанавливается вытяжная труба длиной 1 – 2 м, диаметром 25 – 75 мм.

Для предотвращения конденсации влаги в трубе и стекания ее в бак трубу необходимо утеплить. Под трубой внутри бака необходимо установит сосуд для сбора влаги на случай, если конденсация влаги все же будет происходить.

В нижней части бака по диагонали от места расположения трубы следует открыть отверстие маслосливного крана или пробку в дне бака.

При сушке с вентиляцией бака подогретым воздухом к фланцу маслосливного крана прикрепляется болтами отрезок стальной трубы с намотанной на нем индукционной обмоткой или спиралью из нихрома. Подогрев воздуха может быть осуществлен и без наложения на трубу индукционной обмотки и спирали, если эту трубу расположить под витками намагничивающей обмотки.

При сушке с принудительной вентиляцией к маслосливному крану присоединяется напорный патрубок от вентилятора или воздуходувки, часовая производительность которых должна быть не менее одного объема бака трансформатора.

Если сушка трансформатора производится под вакуумом, крышка бака устанавливается на уплотняющей прокладке и плотно притягивается к баку болтами. К одному из отверстий на крышке бака через обратный клапан или вентиль подсоединяется конденсатная колонка или вакуум-насос. Обратный клапан или вентиль необходимы для предотвращения засасывания в бак воды или масла из насоса, а также для снятия кривой подсоса воздуха. На крышке бака или вакуум-провода между крышкой и вентилем подсоединяется вакуумметр.

Целесообразно иметь вакуум-насосы большой производительности (часовая производительность насоса должна иметь не менее 50% объема бака трансформатора). В таблице 1 приведены марки и основные данные вакуумных насосов, применяемых при сушке трансформаторов.

Таблица 1

1 Для насосов типа ВН и ВЗН приведено остаточное давление; для РМК – вакуум

При сушке трансформаторов под вакуумом с подсосом воздуха желательно иметь насосы типа РМК, поскольку в таких режимах они работают надежнее, чем насосы типа ВН или РВН.

Сушка трансформатора установкой типа “Иней” от компании GlobeCore

Установка типа “Иней” разработана для сушки и вакуумирования твердой изоляции трансформаторов в условиях разгерметизации при его монтаже или ремонте. Применяется в обслуживании силового оборудования, работающего на напряжении от 110 до 1150 кВ и бак которых выдерживает давление в 26 Па. Для трансформаторного оборудования, которое не выдерживает такого давления в баке, по согласию завода-изготовителя, можно усилить бак.

Данная установка представлена в трех модификациях:

1 тип – одномодульный аппарат, оснащенный двухкаскадным холодильным агрегатом ( с температурой охлаждения до – 70 ⁰С) , бустерным вакуумным и тремя термовакуумными насосами. Аппарат сконструирован таким образом, что все комплектующие находятся в одном корпусе.

2 -й тип – установка состоит из двух модулей. В первый входит двухкаскадный холодильный аппарат и насос вакуумный бустерный. Во второй – форвакуумный насос с жидкой системой для охлаждения и нагрева. Эти два модуля соединены гибким вакуумным проводом диаметром 100 мм.

3-й тип – тоже двухмодульная установка, особенностью которой можно назвать применение каждого модуля отдельно друг от друга. В первый модуль входит только двухкаскадный холодильный агрегат, во второй – только форвакуумный насос с жидкостной системой охлаждения и нагрева.

Сушка трансформатора током нулевой последовательности

При этом способе сушка производится за счет тепла, выделяющегося в стержнях и конструктивных деталях магнитопровода и в баке трансформатора от вихревых токов под действием переменного магнитного поля. Магнитное поле создается рабочими обмотками одного из напряжений трансформатора, соединенными таким образом, чтобы магнитные потоки во всех стержнях магнитопровода совпадали по величине и направлению.

Если в трехфазном трансформаторе для нагрева используется обмотка, соединенная в звезду, то напряжение подключается между соединенными вместе выводами фаз и нулевой точкой; если обмотка соединена в треугольник, напряжение подключается в разрыв треугольника (рисунок 3). Для этой цели треугольник распаивается в одной точке и концы разомкнутого треугольника выводятся на крышку через рабочие или специально устанавливаемые выводы.

Обмотки, не используемые для создания магнитного поля, должны быть разомкнуты. Свободная обмотка, соединенная в треугольник, должна быть распаяна в одной точке. Распаянные концы следует изолировать. На рисунке 4 показаны схемы включения однофазных трансформаторов при сушке их токами нулевой последовательности. Заводские соединения между катушками распаиваются, и указанные схемы выполняются при помощи временных перемычек. При подготовке к сушке должно быть замерено сопротивление изоляции стяжных шпилек. Нарушение изоляции может привести к недопустимому перегреву их при сушке.

В таблице 3 приведены опытные данные по сушке трансформаторов токами нулевой последовательности.

Таблица 3

* приведены величины токов, протекающих по подводящим проводам

Перед началом сушки, до опускания активной части в бак, ее следует поставить под напряжение, при котором будет производиться сушка, для контрольного прогрева на 30 минут с целью выявления местных перегревов конструктивных деталей магнитопровода. При обнаружении недопустимых перегревов следует обязательно устранить вызвавшую их причину (ликвидировать короткозамкнутый контур и тому подобное).

Вертикальные стяжные шпильки, поскольку они шунтируют магнитный поток, могут иметь в средней части высокую температуру около 140 – 180 °С. Но для изоляции обмоток это не опасно, так как шпильки находятся от изоляции на достаточно большом расстоянии. Бак трансформатора должен быть тщательно утеплен. Под дно бака следует установить электропечи.

Режим сушки вести, как и при сушке потерями в стали бака.

При проведении сушки токами нулевой последовательности необходимо принять меры, исключающие возможность прикосновения к вводам, на которые подается напряжение, а также к вводам, к которым присоединена вторая, свободная, обмотка. Для этого выводы должны быть ограждены. При измерении сопротивления изоляции питание с обмоток должно сниматься.

Сушка силовых трансформаторов инфракрасным излучением

Для сушки инфракрасным излучением активную часть следует установить в помещении под колпаком вытяжной вентиляции. На выемной части устанавливаются термопары. Для исключения погрешностей из-за непосредственного облучения термопары должны быть закрыты киперной или тафтяной лентой. Вокруг активной стали устанавливаются штативы с лампами так, чтобы равномерному облучению подвергались как обмотки, так и не закрытые обмотками сердечники.

В качестве источника инфракрасного излучения для сушки трансформаторов применяются специальные лампы типов ЭС-1, ЭС-2, ЭС-3. Указанные лампы имеют мощность 250 и 500 Вт при напряжении 120 и 220 В. У этих ламп 80 – 90% подводимой электроэнергии преобразуется в энергию теплового излучения. При отсутствии специальных ламп могут быть использованы обычные лампы накаливания. Для направления потока излучения на обмотку эти лампы помещают в отражатели. При сушке лампами мощностью 250 Вт они должны располагаться друг от друга на расстоянии 190 мм и от выемной части на расстоянии 300 – 320 мм.

Для ускорения сушки рекомендуется периодически, через каждые 30 минут производить в течение 15 минут обдув активной части наружным холодным воздухом, в результате чего получается большой температурный перепад и более быстрое удаление выделяющихся паров воды.

В таблице 4 приведены опытные данные по сушке трансформаторов инфракрасными лучами.

Таблица 4

Сравнивая рассмотренные методы можно сделать следующие выводы.

Сушка в специальной камере без вакуума неэкономична из-за больших потерь тепловой энергии с нагретым воздухом, уходящим в атмосферу, более продолжительна по сравнению с другими методами и применяется, главным образом, для трансформаторов мощностью до 5000 кВ×А и напряжением до 35 кВ включительно.

Сушка в своем баке нагревом потерями в стали бака несколько продолжительнее способов нагрева токами нулевой последовательности или инфракрасными лучами. Однако при этом способе питание намагничивающей обмотки производится от сети стандартного напряжения и исключена опасность местных перегревов, поскольку больше всего нагревается бак, контроль температуры которого легко осуществим. Сушка может производится как при атмосферном давлении, так и при вакууме, тогда как при сушке инфракрасными лучами вакуум исключается. Благодаря универсальности этот способ сушки получил наибольшее распространение в условиях монтажа и эксплуатации. Сушка в своем баке с нагревом токами нулевой последовательности экономична, не требует выполнения намагничивающей обмотки, имеет меньшую продолжительность по сравнению с методом потерь в баке, так как нагрев обмотки идет от магнитопровода к наружным слоям обмотки, то есть в направлении удаления влаги, что ускоряет процесс сушки. Недостатками способа являются необходимость иметь нестандартное напряжение для получения нужных по величине токов нулевой последовательности и возможность появления местных перегревов внутри трансформатора.

Сушка инфракрасными лучами применяется главным образом для трансформаторов небольшой мощности.

Основные методы

Существует широкий ряд методов сушки силовых трансформаторов, которые часто используют специалисты. Рассмотрим каждый из них подробно.

Индукционный нагрев

Индукционный метод сушки получил широкое распространение благодаря хорошей результативности. В основе способа лежит нагревание активной части, находящейся в баке, теплом, образованным вихревым током. На бак наматывают специальную намагниченную обмотку, которая и является источником индукции.

Порядок действий:

1. Используется абсолютно сухой бак, отверстия в котором уплотняются.
2. Стенки бака утепляют стеклотканью.
3. В разных точках активной части размещают термопары и терморезисторы.
4. Устанавливают термометры под изоляцией.
5. Наматывают индукционную обмотку на бак.

Убедившись в правильной работе вакуумной системы, включают печи, нагревающие дно бака. Далее в ход идут насосы, которые подсасывают горячий воздух. Процесс сушки постоянно контролируется, ведутся записи показателей термометра и вакуумметра.

Токами короткого замыкания

При использовании метода КЗ нагрев идет за счет потерь тепла. Они происходят в обмотках, в проводниках обмоток, в активной стали магнитопровода. Метод заключается в том, что обмотку трансформатора, которая имеет меньшее напряжение, накоротко замыкают на зажимах вводов. Другая при этом питается источником тока. Это переменный ток промышленной частоты.

Постоянным током

Метод основан на пропускании тока, приближенного к номинальному значению, через обмотки устройства. В процессе, как правило, используются обмотки, обладающие средним и высоким напряжением.

Части, не участвующие в пропускании тока закорачивают и заземляют. К ним относится бак и другие обмотки, которые не связаны с прогреваемыми посредством электричества.

Токами нулевой последовательности

Если речь идет о трансформаторе с небольшой мощностью – 400 кВА – применяется сушка токами нулевой последовательности. Вторичные обмотки устройства необходимо подключить к сети по соответствующей схеме.

Процесс требует соблюдения мер предосторожности, ведь обмотка, обладающая высшим напряжением, разомкнута.

Теплота при этом выделяется благодаря воздействию совпадающих по фазе магнитных потоков, которые одинаковы по величине. Способ считается простым, однако он неосуществим, если вторичные обмотки соединяются в треугольник.

Перед тем, как начать сушку, нужно поставить активную часть под напряжение, которое будет использоваться в процессе. Это нужно сделать для контрольного прогрева длительностью около получаса. Если возникают перегревы конструктивных деталей магнитопровода, нужно устранить их причины и лишь после этого приступать к полноценной сушке.

Циркуляцией масла через электронагреватели

Чтобы удалить губительную влагу из трансформатора, также используют циркуляцию масла. Процесс состоит из следующих шагов:

1. Из нижней части бака удаляют масло.
2. Прогоняют вещество через систему подогрева.
3. Отправляют нагретое масло обратно в бак, но уже в верхнюю часть.

Поток масла движется интенсивно и распределяется пульверизаторами под каждой фазой. Это позволяет равномерно просушить обмотки трансформатора, не допустив перегрева. Горячее вещество подхватывает лишнюю влагу и удаляет ее. После того, как масло сделало свое работу, что происходит довольно быстро, его выпускают и снова заливают в бак под вакуумом.

Нагревом бака инфракрасным излучением

Инфракрасные лучи для нагрева уместно использовать, когда трансформатор обладает мощностью до 1000 кВА. Специальные лампы позволяют преобразовать более 80% подводимой электроэнергии в энергию теплового излучения.

Во время сушки температуру активной части регулярно измеряют. Для этого на ней закрепляют термометры и термопары, причем термопары используются чаще.

В процессе используются лампы типов ЭС-3, ЭС-2 и ЭС-1. Они обладают мощностью 250 и 500Вт при напряжении в 120 и 220В соответственно. Если ламп этих типов нет в наличии, могут использоваться лампы накаливания.

Чтобы поток излучения был направлен на обмотку, применяют отражатели.

Обдувом горячим воздухом

Метод сушки горячим воздухом применяется редко. Однако используемую в процессе воздуходувку применяют и в других методах. Суть сушки состоит в продувании активной части горячим сухим воздухом.

Температура воздуха должна доходить до 100 . Тепло подается на активную часть, тем самым прогревая обмотки трансформатора. Рекомендуется такой расход воздуха, при котором возникает небольшая разница между температурой входящего и выходящего потока.

В камере без вакуума

Воздуходувки используются при сушке в камере без вакуума. Процесс состоит из следующих этапов:

1. Активную часть помещают в камеру.
2. К двум отверстиям камеры подносят воздуходувки.
3. Подают горячий воздух, температура которого не должна превышать 105
4. Внимательно следят за показателями термометра.
5. После нагрева активной части применяют термодиффузию. Она заключается в снижении температур внешней изоляции посредством подачи холодного воздуха.
6. Завершив сушку, проводят ревизию активной части, после чего опускают ее в бак с маслом.

Главную роль в прогреве трансформатора таким способом играет камера, к созданию которой нужно подойти с особым вниманием.

Сооружают камеру из деревянных щитов и рам, хорошо утепляют изнутри. Внутренние стены обшиваются асбестом, поверх которого крепят кровельную сталь. Стыки также утепляют при помощи асбеста.

Важно, чтобы расстояние между стенками камеры и находящейся в ней активной части составляло примерно 200 миллиметров. Сверху должно быть вытяжное отверстие для воздуха.

В стационарном сушильном шкафу

Стационарный сушильный шкаф, использующийся для удаления влаги из основных частей трансформатора, отличается высокой эффективностью и гарантированным качеством результата. Проблема в том, что стоимость шкафа велика, поэтому в ремонте и монтаже трансформаторов эта полезная вещь используется редко. В покупке конструкции будет смысл лишь в том случае, если сушку приходится проводить регулярно.

Контрольный прогрев трансформатора

Контрольный прогрев или подсушка трансформаторов могут быть выполнены индукционными потерями в стали бака, постоянным током, коротким замыканием или током нулевой последовательности.

Для прогрева средних и крупных трансформаторов чаще других применяется метод прогрева постоянным током. По сравнению с методом индукционных потерь он менее трудоемок, более экономичен по расходу электроэнергии и позволяет постоянно контролировать температуру обмоток.